Üretilen bir parça için hangi malzemenin en iyisi olduğuna nasıl karar verirsiniz? Bu basit sorunun karmaşık bir cevabı vardır. Bir mühendisin, işlevsellik, yükleme işlemi, çalışma ortamı, üretim miktarı, mevcut üretim süreçleri ve daha fazlası dahil olmak üzere çeşitli alanlardaki kriterleri tartması gerekir. 3D baskı, bazı üretim uygulamaları için en uygun yöntemdir ve diğerleri için daha az uygundur. Bu yazıda, son kullanım parçaları imal etmek için yeni bir süreci keşfediyoruz: 3D baskı kompozit malzemeleri.
Üretim süreçlerinin karşılaştırılması
Örnekte Dixon Valve’ın tutucusunu görüyorsunuz, bu da üretim hattının devasa ölçekte verimli bir şekilde bağlaşıklıklar yapmasını sağlar. Sıkıştırma kuvvetini iletecek kadar mukavemetli, tekrarlanan yükleme döngüleri boyunca dayanıklı ve valfleri aşındırmayan bir yüzeye sahip olmalıdır. Kavrayıcı bir üretim parçasından ziyade, üretim hattının bir bileşeni olduğundan, üretim miktarı sadece 10’lar veya 100’lerdedir. Bu parça için üretim süreçleri aşağıdaki şekilde karşılaştırılır:
Daha küçük üretim miktarının, ince ayar fikstürleri ve yolları için maliyet etkinliğini azaltması dışında, işleme geometri için uygun olacaktır. Şirket aynı zamanda makine bant genişliğinden yoksundu ve iş parçası üretimi için üçüncü taraf bir üreticiyle sözleşme yapmak, üretimi hızlandırmak için hazırlık süresini artırdı.
Dökme parçalar, bağlantı elemanları için iç göbekler ve sonradan işleme gerektirir ve yeni bir parti dökmek için çok daha uzun teslim süresi vardır. Metal bir parça da, vanaların kumla kaplanmış yüzeyine zarar verebilir.
Fiberglas ve karbon fiber düzenler, genellikle kompakt, sağlam bir kavrayıcı arzusuyla uyumlu olmayan bir iç çerçeve etrafında hafif, sert ve yüksek mukavemetli bir kaplama sağlamak için kullanılır. Yerleştirme süreci de doğası gereği çok daha az tekrarlanabilir.
ABS ve PLA gibi termoplastikler, küçük üretim çalışmalarında kolayca basılabilir, ancak istenen mukavemet veya tokluğun hiçbirine sahip değildir. Düzenli kullanımda hızlı bir şekilde bozulurlar (eğer kırılmazlarsa).
Ya 3D baskının erişilebilirliğinden yararlanmanın, mukavemet ve tokluk için işlevsel gereksinimleri karşılayan son kullanım parçaları üretmenin bir yolu olsaydı?
Bu, aşağıdaki işlemede görebileceğiniz gibi, artık basılı bir parçanın içine sürekli takviye lifleri eklenerek mümkün hale getirilmiştir. Plastik matris, küçük parti imalatının ve hızlı yinelenebilirliğin tüm avantajlarını sunarken, Kevlar’ın telleri, kompozit parçayı üretim katında uzun süreli kullanım için mekanik olarak stabil ve yeterince dayanıklı hale getirir.
Kavrayıcı çene, öncelikle Markforged’un dış kabuğu ve dolguyu oluşturan Onyx plastiğinden yapılmıştır.
Materyal kompozitlerle güçlendirilmiş sistemler yeni değildir. Kompozitler, birden fazla benzersiz malzemenin yapısal entegrasyonu ile karakterize edilir, öyle ki kombine parçanın sonuçta ortaya çıkan mekanik özellikleri yükleme senaryosu için optimize edilir. İnşaattan, gerilme yüklerini sıkıştırmada güçlü beton taban boyunca iletir – biyomekaniğe – insan vücudundaki yükleri iskelet etrafına dağıtan kaslara ve bağ dokularına kadar her yerde bulunurlar.
Kompozitlerin en büyük avantajı, mühendisin tek bir malzeme özellikleri setiyle sınırlı olmamasıdır. Her iki bileşenin özelliklerini kullanırlar.
3D baskıdaki kompozitler, plastik matrisin – parça hacminin çoğunu oluşturan destek yapısı – basınç dayanımından ve gömülü fiberlerin gerilme mukavemetinden yararlanır. Bu iki malzeme karşılıklı olarak bağımlıdır: fiber olmadan, plastik kısım sadece ekstrüde edilmiş plastik şeritlerin içindeki ve arasındaki yapışma kadar güçlüdür. Matris olmadan fiberin yapısı yoktur ve bu nedenle şeklini korumaz. Matris, fiberin yüke karşı dengelenmesi için bir kaldıraç koluna sahip olması için boşluk yaratır. Birleştirildiklerinde, hem sıkıştırma hem de gerilim açısından her ikisinin de ayrı ayrı sunabileceğinden daha fazla mukavemete sahip bir kompozit oluşturmak üzere sinerji oluştururlar.
Matris ve lifi karakterize eden özellikler nelerdir?
Matris malzemesi kolayca çıkmalı, pürüzsüz bir yüzey kalitesi sağlamalı ve dolgu olarak kendine iyi yapışmalı, böylece sıkıştırma altında stabil kalmalıdır. Sertleştikten sonra kırılgan olmamalıdır, aksi takdirde kırılma riski taşır. Gömülü lifler için en önemlisi, matris, liflerin yüklenmesine izin verecek kadar yumuşak olmalıdır. (Bu nedenle metaller bir matris olarak etkili olamayacak kadar serttir.) Çeliklerin (200 GPa), karbon fiberin (60 GPa) ve naylonun (1 GPa) çekme modüllerini düşünün. Naylonun modülü karbon fiberinkinden daha az olduğu için, fiberden önce uzar ve böylece yükü daha sert malzemeye, bu durumda fibere aktarır. (Bu, benzer uzunlukları ve enine kesit alanlarını varsayar, bu da bunun yerel olarak her zaman doğru olduğu anlamına gelir.)
Peki ya lifin malzeme özellikleri? İşlevi takviye olduğundan, birincil faktör çekme dayanımıdır. Bu, özellikle parçalar fiberin eksenel yükünü maksimize edecek şekilde tasarlandığında geçerlidir. Plastik matrisin aksine, fiberin hoş bir yüzey kalitesi oluşturması veya sıkıştırma altında sabit tutması gerekmez. Isı sapması ve kademeli verim modları gibi diğer özellikler, bir lifi diğerinden ayırır.
Karşılıklı bir bağımlılık olduğunu unutmayın: fiber, işini yapmak için plastiğin yarattığı ve tuttuğu alana ihtiyaç duyar, bu nedenle her ikisi de güçlü bir parça oluşturmak için birlikte çalışmalıdır.
Kompozitler ve materyaller hakkında daha fazla bilgi edinmek için bize ulaşın: